CPU疲于应对未来大数据运算

当下时代的主题究竟是什么？5G通信？人工智能？自动驾驶？还是云计算？或许都是；又或许，都不是。当你看到在这些前端应用市场不断迸发着激情和灵感时，如何满足其背后以指数形式增长的数据需求就成了诸多工程师最为头疼的问题。

有数据显示，到2020年，平均每位互联网用户每天将会产生1.5GB数据流量，自动驾驶汽车每天将会产生4TB数据流量，联网飞机每天将会产生5TB数据流量，智能工厂每天将会产生1PB数据流量，云视频提供商每天将会生成750PB视频类的数据流量。在联网的世界里，数据量将会以指数形式增长。（1PB=1024TB）

目前，全世界有80亿个终端联网，到2020年将会有500亿个终端联网，与此同时，未来联网设备将会需要更宽的带宽。据思科预测，到2020年，联网IP流量将会达到2300EB（1EB=1024PB）。这时，数据中心会与终端连接，形成一个良性循环，而物联网的发展将会加速这一循环，使得网络将必须在更高的速度上处理更多数据，数据中心也需要做更复杂的计算，处理更大的数据级，嵌入式终端和设备也要做很多本地计算。另外，数据中心还需要应对更多具有挑战性的负载，例如大数据分析和机器学习，这又将会在整个循环中产生很多数据瓶颈和计算热点，这些都使得CPU无法单独应对。

如何解决这一难题呢？

FPGA：让我来为计算加点料！！！

图1 数据中心与终端设备的良性循环 

FPGA：时代的推手

 5G通信、物联网、云计算、智慧城市、自动驾驶及雷达和航天是当下最火爆的六大应用市场，而由于这些应用都涉及到海量的数据和高速的运算能力，每个市场都在面临连接数量和计算复杂度的急速增长，单靠CPU已经很难轻松拿下未来这场攻坚战。而利用FPGA开发系统时，系统设计不会被锁定，开发周期短，相比专用硬件具有更好的容错性。因而，可以说FPGA的又一主场即将到来。

例如，在当下热点之一的无人驾驶领域，随着无人驾驶的不断发展，对性能将会有更高的要求，而在对算法应用上也将会有很大的不确定性，因而会出现很多计算孤岛，每一个孤岛会有自己的本身硬件和开发环境，这对制造开发商来说是不可持续的。FPGA在以下两个领域可以发挥关键作用：

1）本地计算。例如传感器融合，深度学习推算这些都是要在汽车上本地实时进行。

2）安全可靠的5G连接。把汽车和其他车辆及云端实现连接。

在智慧城市领域，同样，计算孤岛也正在出现，包括交通管理系统、照明管理系统、泊车管理系统和安全摄像头，实际上都是各自为政的，众多不同的系统由众多不同的厂家来生产，有不同架构和开发环境，不同的系统之间无法实现数据共享，城市管理者无法实现对城市全面的了解。而CPU+FPGA实际上可以取代一些专有的架构，只需要通过加速几个关键功能就可以提供本地计算、连接和分析能力。另外，也可以将众多的孤岛放到单一的英特尔架构上，加上FPGA的环境及5G网络，从而降低开发成本和错误率，并使系统具备机器学习的能力，以应对未来更加复杂的网络环境和城市环境。

这些应用都很好地说明了FPGA在加速良性循环方面的重要作用。

FPGA才是异构计算的神助手

其实FPGA相当于一个具有以下两方面优点先进的多功能加速器：

1）  拥有巨大的编程灵活性，支持高度差异化的产品；

2）  可以在现场重新配置，虚拟加速任何数字算法；

3）  支持并行运算；

4）  吞吐量、实时速度、能耗等性能相比CPU或GPU优异10倍；

5）  低时延可以处理更多数据。

因此，FPGA是一种兼具硬件性能和软件可编程能力的产品，对于异构计算来说尤为重要。

FPGA在异构计算中具体有两种加速形式，即旁路加速和内建加速。旁路加速可以将重度计算功能转移到FPGA上，从而释放处理器去处理其他功能；而如果时延比较重要，则可以进行内建加速，从而通过FPGA的多功能性带来更好的网络存储和计算的加速。另外，英特尔FPGA产品在包括数据库加速、基因测序、存储及云端已经有具体的应用和很好的效果。

图2 FPGA在异构计算中的两种加速形式

10nm FPGA带节奏

Altera并入英特尔并成为英特尔PSG事业部，获得了英特尔领先业界三年的制程技术，带来更大的容量和更快的速度。最新的STRATIX®10高端芯片已经有样片，ARRIA®10产品已经在全面生产，而CYCLONE®10和MAX®10已经可以大量出货。

图3 四款产品

下一代基于英特尔10nm制程的新FPGA产品——Falcon Mesa，使用英特尔10nm制程及世界最先进的FINFET技术，也是第二代使用HyperFlex^TM和基于EMIB异构SIP（EMIB是英特尔的接口规范。）的产品。新产品会支持下一代HBM，转换速率达112Gbps，还支持PCIe 4x16，从而可以支持16TB的大带宽。

图4 英特尔公司可编程解决方案事业部副总裁兼客户体验事业部总经理Rina Raman

英特尔公司可编程解决方案事业部副总裁兼客户体验事业部总经理Rina Raman称，“这是Altera并入英特尔后第一代使用英特尔10nm制程技术开发出来的产品，我们将继续推动摩尔定律的实现，为业界带来领先的性能和能效。”

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